Амплитудный модулятор

Амплитудный модулятор

       Амплитудным модулятором называется  устройство, огибающая высокочастотного  сигнала на выходе которого  пропорциональна низкочастотному  модулирующему колебанию. Рассмотрим  случай простейшего гармонического  модулирующего колебания:

,

 На входе модулятора действует сигнал:

, w 0>>W 

 На выходе  амплитудного модулятора в этом  случае должен быть получен  сигнал вида:

      

 где глубина  амплитудной модуляции М должна  быть пропорциональна амплитуде  .

 В результате  воздействия входного сигнала  на нелинейный элемент с кусочно-линейной аппроксимацией в токе последнего появляются гармоники и комбинационные составляющие входных сигналов, а именно составляющие с частотами: (смотри рис. 2). Cоставляющие с частотами и образуют требуемое амплитудно-модулированное колебание. Оно должно быть выделено полосовым фильтром со средней частотой, равной несущей, и полосой пропускания, достаточной для выделения составляющих с частотами . 

 Рис.2

 Как известно, при кусочно-линейной аппроксимации  ВАХ нелинейного элемента первая гармоника тока определяется как:

 

 Для того, чтобы изменение первой гармоники  тока отвечало требованию амплитудного  модулятора, необходимо обеспечить  пропорциональность огибающей импульсов  тока  низкочастотному сигналу, и независимость от него коэффициента . Следует правильно выбрать режим работы НЭ (смещение и амплитуды входных сигналов). На рисунке 3 показан такой режим работы.

 Рабочая точка  и амплитуда низкочастотного  сигнала выбираются так, чтобы  высокочастотные импульсы тока  имели бы угол отсечки близкий к , т.е , . В этом случае , а огибающая импульсов тока пропорциональна низкочастотному сигналу: 

.  

 Таким образом,  первая гармоника тока: 

,  

 а на выходе  фильтра получится напряжение:

 

 где  и - сопротивление и фаза фильтра на несущей частоте, - амплитуда несущей на выходе модулятора, .

 Ясно, что  в этом случае глубина модуляции  невелика – это недостаток  такого вида модулятора.

 Принципиальная  схема простейшего амплитудного  модулятора на транзисторе с  ОЭ приведена на рисунке 4. 

 

 Рис.4 

 Для правильного  выбора режима работы нелинейного  элемента следует снять так  называемую статическую модуляционную  характеристику (СМХ). Для схемы рис.4 такой характеристикой является  при постоянной величине амплитуды несущей на входе. Типичный вид такой характеристики показан на рисунке 5. 

 

 Рис.5  

 Середина  линейного участка СМХ определяет  рабочую точку транзистора ( ). Величина определяет изменение низкочастотного сигнала и максимально возможный (с минимальными искажениями) коэффициент глубины модуляции: 

 Если на  входе модулятора действует более  сложный низкочастотный сигнал, например такой:

 

 то при  удовлетворении условия   и , огибающая импульсов тока будет равна:

,

 следовательно,

.

 При настройке  фильтра на частоту несущей и полосе пропускания (при добротности контура ) на выходе модулятора получится высокочастотный сигнал, огибающая которого пропорциональна .

     Заход мгновенного входного напряжения в  области нелинейного участка  СМХ приведет к появлению в  первой гармонике тока составляющих с частотами ( k=2,3,4,…), которые фильтр не сможет подавить, т.к. они попадут в его полосу пропускания. Следовательно, в этом случае нарушится основное требование, предъявляемое к амплитудному модулятору, а именно: огибающая амплитудно-модулированного сигнала должна быть пропорциональна низкочастотному сигналу.

 

     Техническое задание

     Амплитудный модулятор, имеющий хорошую линейность, теоретически может работать при  частоте модулирующего сигнала, равной частоте несущей. Транзистор Q1 разделяет модулирующее входное напряжение на два противофазных разнополярных сигнала. Выключатели на транзисторах Q2 и Q3 пропускают соответственно положительные и отрицательные полупериоды прямоугольной несущей. Прерванные модулированные сигналы (точки С и D) суммируются при помощи резисторов R5 и R6.

       Амплитудный модулятор, схема  которого представлена на фигуре, имеет хорошую линейность и  работает при изменении частоты  модулирующего сигнала от нуля  до половины частоты несущей.  Линейность схемы сохраняется вплоть до коэффициента модуляции 97,5%. Связь между отдельными каскадами осуществляется гальванически без применения индуктивностей или больших емкостей.

     

       Транзистор Q1 является расщепителем фазы модулирующего сигнала, при этом сигнал на эмиттере Q1 имеет фазовый сдвиг и амплитуду, несколько меньшую входного уровня. Постоянная составляющая модулирующего сигнала равна приблизительно -5 В на эмиттере транзистора Q1 и +5 В на его коллекторе, где фаза сигнала сдвинута на 180° по отношению к входу. Быстродействующие переключатели на транзисторах Q2 и Q3 попеременно изменяют свое состояние от насыщения до запирания под действием входного сигнала несущей. Этот сигнал, предпочтительно прямоугольной формы, поступает на базы транзисторов Q2, Q3 соответственно через резисторы R1, R2 и диоды D1, D2. Диоды защищают транзисторы от повышенного обратного напряжения база-эмиттер, которое может возникнуть при большом уровне несущей. Конденсаторы C1 и С2 служат для уменьшения времени переключения транзисторов Q2, Q3.

       Коллекторы транзисторов Q2, Q3 соединены с выходами фазорасщепителя Q1 через резисторы R3 и R4. Эти резисторы используются для развязки схем модулирующего и модулируемого сигналов. В каждом положительном полупериоде несущей модулирующий сигнал на коллекторе транзистора Q1 переключается от своего среднего значения 5 В до нуля транзистором Q2. В результате этого на коллекторе транзистора Q2 формируется прерывистый модулирующий сигнал. Аналогично модулирующий сигнал на эмиттере транзистора Q1 прерывается транзистором Q3, причем переход транзистора Q3 из запертого состояния в состояние насыщения происходит в течение каждого отрицательного полупериода несущей.

       Положительные и отрицательные  прерывистые модулирующие сигналы  смешиваются в простой суммирующей цепи, состоящей из резисторов R5 и R6. При суммировании компоненты с частотой прерываний, присутствующие в прерывистых модулирующих сигналах, взаимно компенсируются. Таким образом, в случае идеального баланса в спектре выходного модулированного сигнала отсутствуют компоненты с частотой модуляции и присутствуют только боковые составляющие модуляции. Теоретически при этом можно увеличивать частоту модулирующего сигнала до верхнего предела, равного половине частоты несущей, не применяя сложной фильтрации. Огибающая модулированного сигнала находится в этом случае в противофазе по отношению к входному модулирующему сигналу.

       Выходное напряжение схемы представляет  собой амплитудно-модулированный  прямоугольный сигнал, который сам  по себе содержит нечетные гармоники основной частоты. (Спектр выходного сигнала можно записать в виде nwc±wm)т, где wc-частота несущей, wm- частота модулирующего сигнала, а п=1; 3; 5; ... .) Чтобы получить синусоидальную несущую, выходной сигнал необходимо отфильтровать. Для выделения основной частоты несущей и ее боковых составляющих можно применить фильтр нижних частот, поскольку спектр выходного сигнала не содержит компоненту с частотой модуляции. Однако для выделения какой-либо гармоники wс необходимо использовать полосовой фильтр.

       Частотные свойства модулятора  в основном зависят от быстродействия  переключающих транзисторов. Для  транзисторов, показанных на фигуре, верхняя частота модулированного  выходного сигнала составляет 1 МГц.  Сам модулятор имеет плоскую  частотную характеристику и сохраняет линейность до модулирующей частоты 250 кГц, после чего искажения огибающей становятся заметны даже на глаз. При частоте несущей 100 кГц и частоте модуляции 1 кГц можно получить линейную модуляцию с глубиной до 95%.

       В режиме с разомкнутым выходом максимальный размах выходного модулированного сигнала равен 7,4 В при размахе входного модулирующего сигнала 14 В. Минимальный размах несущей на входе модулятора для получения выходного прямоугольного сигнала составляет 2,8 В. Увеличение уровня несущей относительно номинального значения не приводит к появлению каких-либо нежелательных эффектов. Форма модулирующего сигнала может быть произвольной.

       В качестве несущей можно использовать  также синусоидальный сигнал, однако  при этом ухудшается процесс прерывания. Минимальный размах синусоидальной несущей равен 4 В. При частоте несущей 10 кГц и размахе модулирующего сигнала 14 В можно осуществить линейную модуляцию с глубиной до 97,5%.

       Минимальный возбуждающий уровень  несущей почти не изменяется  при более низкой ее частоте. В то же время технические характеристики модулятора несколько ухудшаются на верхних частотах-максимальная глубина линейной модуляции уменьшается и становится равной 94% на 500 кГц и ' 88% на частоте 1 МГц. На верхних частотах также уменьшается уровень выходного сигнала. Для расширения частотного диапазона можно использовать более быстродействующие ключевые транзисторы и уменьшить импедансы каскадов схемы.

       Предотвратить уменьшение выходного  сигнала на высоких частотах  можно также путем повышения питающих напряжений. Максимальная глубина модуляции теоретически ограничена напряжением насыщения прерывающих транзисторов; это напряжение не оказывает столь сильного влияния при высоких питающих напряжениях. Применение подобранных с большой точностью пар резисторов (R3-R4, R5-R6, R7-R8) обеспечивает равенство положительных и отрицательных мгновенных значений выходных модулирующих сигналов.